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绝缘栅双极型晶体管(IGBT)常识解析

发布时间:2021-11-23 06:11:03 来源:英亚体育app下载

  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器材, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的长处。GTR饱满压下降,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT概括了以上两种器材的长处,驱动功率小而饱满压下降。十分合适运用于直流电压为600V及以上的变流体系如沟通电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等范畴。

  IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)经过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品;封装后的IGBT模块直接运用于变频器、UPS不间断电源等设备上;

  IGBT模块具有节能、设备修理便利、散热安稳等特色;当时商场上出售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;跟着节能环保等理念的推动,此类产品在商场大将越来越多见;

  IGBT是动力改换与传输的中心器材,俗称电力电子设备的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新动力配备等范畴运用极广。

  下图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+区称为源区,附于其上的电极称为源极(即发射极E)。N基极称为漏区。器材的操控区为栅区,附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区鸿沟构成。在C、E南北极之间的P型区(包含P+和P-区)(沟道在该区域构成),称为亚沟道区(Subchannel region)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector),它是IGBT特有的功用区,与漏区和亚沟道区一同构成PNP双极晶体管,起发射极的效果,向漏极注入空穴,进行导电调制,以下降器材的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。

  IGBT的开关效果是经过加正向栅极电压构成沟道,给PNP(本来为NPN)晶体管供给基极电流,使IGBT导通。反之,加反向门极电压消除沟道,堵截基极电流,使IGBT关断。IGBT的驱动办法和MOSFET根本相同,只需操控输入极N-沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道构成后,从P+基极注入到N-层的空穴(少子),对N-层进行电导调制,减小N-层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。

  IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的联系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的操控,Ugs 越高, Id 越大。它与GTR 的输出特性类似。也可分为饱满区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状况下的IGBT ,正向电压由J2 结承当,反向电压由J1结承当。假如无N+缓冲区,则正反向阻断电压能够做到相同水平,参加N+缓冲区后,反向关断电压只能到达几十伏水平,因而约束了IGBT 的某些运用规模。

  IGBT 的搬运特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的联系曲线。它与MOSFET 的搬运特性相同,当栅源电压小于敞开电压Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状况。在IGBT 导通后的大部分漏极电流规模内, Id 与Ugs呈线性联系。最高栅源电压受最大漏极电流约束,其最佳值一般取为15V左右。

  动态特性又称开关特性,IGBT的开关特性分为两大部分:一是开关速度,首要目标是开关进程中各部分时刻;另一个是开关进程中的损耗。

  IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的联系。IGBT 处于导通态时,因为它的PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的首要部分。此刻,通态电压Uds(on) 可用下式表明::

  式中Uj1 —— JI 结的正向电压,其值为0.7 ~1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻。

  因为N+ 区存在电导调制效应,所以IGBT 的通态压降小,耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ~ 3V 。IGBT 处于断态时,只要很小的走漏电流存在。

  IGBT 在开经进程中,大部分时刻是作为MOSFET 来运转的,仅仅在漏源电压Uds 下降进程后期, PNP 晶体管由放大区至饱满,又添加了一段延迟时刻。td(on) 为注册延迟时刻,tri 为电流上升时刻。实践运用中常给出的漏极电流注册时刻ton 即为td (on) tri 之和,漏源电压的下降时刻由tfe1 和tfe2 组成。

  IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当挑选这些驱动电路时,有必要依据以下的参数来进行:器材关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的状况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大,故可运用MOSFET驱动技能进行触发,不过因为IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路供给的偏压更高。

  IGBT在关断进程中,漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后,PNP晶体管的存储电荷难以敏捷消除,构成漏极电流较长的尾部时刻,td(off)为关断延迟时刻,trv为电压Uds(f)的上升时刻。实践运用中常常给出的漏极电流的下降时刻Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时刻

  IGBT的开关速度低于MOSFET,但显着高于GTR。IGBT在关断时不需求负栅压来削减关断时刻,但关断时刻随栅极和发射极并联电阻的添加而添加。IGBT的敞开电压约3~4V,和MOSFET适当。IGBT导通时的饱满压降比MOSFET低而和GTR挨近,饱满压降随栅极电压的添加而下降。

  正式商用的IGBT器材的电压和电流容量还很有限,远远不能满意电力电子运用技能开展的需求;高压范畴的许多运用中,要求器材的电压等级到达10KV以上,现在只能经过IGBT高压串联等技能来完成高压运用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司选用软穿通准则研制出了8KV的IGBT器材,德国的EUPEC出产的6500V/600A高压大功率IGBT器材现已获得实践运用,日本东芝也已进入该范畴。与此一起,各大半导体出产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱满压降、高可靠性、低成本技能,首要选用1um以下制造工艺,研制开发获得一些新进展。2013年9月12日 我国自主研制的高压大功率3300V/50A IGBT(绝缘栅双极型晶体管)芯片及由此芯片封装的大功率1200A/3300V IGBT模块经过专家判定,我国自此有了彻底自主的IGBT“我国芯”。

  IGBT是将强电流、高压运用和快速终端设备用笔直功率MOSFET的天然进化。因为完成一个较高的击穿电压BVDSS需求一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而构成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些首要缺陷。尽管最新一代功率MOSFET 器材大幅度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,功率导通损耗依然要比IGBT 技能高出许多。较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的才干,以及IGBT的结构,同一个规范双极器材比较,可支撑更高电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。

  IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分类似,首要差异是IGBT添加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技能没有添加这个部分)。如等效电路图所示(图1),其间一个MOSFET驱动两个双极器材。基片的运用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道构成,一起呈现一个电子流,并彻底依照功率 MOSFET的办法产生一股电流。假如这个电子流产生的电压在0.7V规模内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种办法下降了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。最终的结果是,在半导体层次内暂时呈现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET 电流); 一个空穴电流(双极)。

  当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被制止,没有空穴注入N-区内。在任何状况下,假如MOSFET电流在开关阶段敏捷下降,集电极电流则逐步下降,这是因为换向开端后,在N层内还存在少量的载流子(少子)。这种剩余电流值(尾流)的下降,彻底取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种要素有关,如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题:功耗升高;穿插导通问题,特别是在运用续流二极管的设备上,问题愈加显着。

  鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE亲近相关的空穴移动性有亲近的联系。因而,依据所到达的温度,下降这种效果在终端设备规划上的电流的不抱负效应是可行的。

  当集电极被施加一个反向电压时, J1 就会遭到反向偏压操控,耗尽层则会向N-区扩展。因过多地下降这个层面的厚度,将无法获得一个有用的阻断才干,所以,这个机制十分重要。另一方面,假如过大地添加这个区域尺度,就会接连地进步压降。 第二点清楚地说明晰NPT器材的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器材的压降高的原因。

  当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时,P/N J3结受反向电压操控,此刻,依然是由N漂移区中的耗尽层接受外部施加的电压。

  IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管(如图1所示)。在特别条件下,这种寄生器材会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量添加,对等效MOSFET的操控才干下降,一般还会引起器材击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁,具体地说,这种缺陷的原因互不相同,与器材的状况有亲近联系。一般状况下,静态和动态闩锁有如下首要差异:

  当晶闸管悉数导通时,静态闩锁呈现,只在关断时才会呈现动态闩锁。这一特别现象严重地约束了安全操作区。为避免寄生NPN和PNP晶体管的有害现象,有必要采纳以下办法:避免NPN部分接通,别离改动布局和掺杂等级,下降NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外,闩锁电流对PNP和NPN器材的电流增益有必定的影响,因而,它与结温的联系也十分亲近;在结温文增益进步的状况下,P基区的电阻率会升高,破坏了全体特性。因而,器材制造商有必要留意将集电极最大电流值与闩锁电流之间坚持必定的份额,一般份额为1:5。

  IGBT的伏安特性是指以栅极电压VGE为参变量时,集电极电流IC与集电极电压VCE之间的联系曲线。IGBT的伏安特性与BJT的输出特性类似,也可分为饱满区I、放大区II和击穿区III三部分。IGBT作为开关器材稳态时首要作业在饱满导通区。IGBT的搬运特性是指集电极输出电流IC与栅极电压之间的联系曲线。它与MOSFET的搬运特性相同,当栅极电压VGE小于敞开电压VGE(th)时,IGBT处于关断状况。在IGBT导通后的大部分集电极电流规模内,IC与VGE呈线性联系。

  IGBT全称绝缘栅双极晶体管,是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产品。它的三个极别离是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。

  特色:击穿电压可达1200V,集电极最大饱满电流已超越1500A。由IGBT作为逆变器材的变频器的容量达250kVA以上,作业频率可达20kHz。

  首先将万用表拨在R×1KΩ挡,用万用表丈量时,若某一极与其它南北极阻值为无穷大,互换表笔后该极与其它南北极的阻值仍为无穷大,则判别此极为栅极(G )其他南北极再用万用表丈量,若测得阻值为无穷大,互换表笔后丈量阻值较小。在丈量阻值较小的一次中,则判别红表笔接的为集电极(C);黑表笔接的为发射极(E)。

  将万用表拨在R×10KΩ挡,用黑表笔接IGBT 的集电极(C),红表笔接IGBT 的发射极(E),此刻万用表的指针在零位。用手指一起触及一下栅极(G)和集电极(C),这时IGBT 被触发导通,万用表的指针摆向阻值较小的方向,并能站住指示在某一方位。然后再用手指一起触及一下栅极(G)和发射极(E),这时IGBT 被阻断,万用表的指针回零。此刻即可判别IGBT 是好的。

  任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。留意判别IGBT 好坏时,必定要将万用表拨在R×10KΩ挡,因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT 导通,而无法判别IGBT 的好坏。此办法相同也能够用于检测功率场效应晶体管(P-MOSFET)的好坏。

  IGBT模块的电压规范与所运用设备的输入电源即试电电源电压严密相关。其相互联系见下表。运用中当IGBT模块集电极电流增大时,所产生的额外损耗亦变大。一起,开关损耗增大,使原件发热加重,因而,选用IGBT模块时额外电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时,因为开关损耗增大,发热加重,选用时应该降等运用。

  因为IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅极经过一层氧化膜与发射极完成电阻隔。因为此氧化膜很薄,其击穿电压一般到达20~30V。因而因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因而运用中要留意以下几点:

  在运用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当有必要要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸; 在用导电资料衔接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块; 尽量在底板杰出接地的状况下操作。 在运用中有时尽管保证了栅极驱动电压没有超越栅极最大额外电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振动电压。为此,一般选用双绞线来传送驱动信号,以削减寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也能够按捺振动电压。

  此外,在栅极—发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则跟着集电极电位的改变,因为集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。这时,假如集电极与发射极间存在高电压,则有或许使IGBT发热及至损坏。

  在运用IGBT的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状况),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为避免此类毛病,应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。

  在设备或替换IGBT模块时,应十分重视IGBT模块与散热片的触摸面状况和拧紧程度。为了削减触摸热阻,最好在散热器与IGBT模块间涂改导热硅脂。一般散热片底部设备有散热电扇,当散热电扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热,而产生毛病。因而对散热电扇应定时进行检查,一般在散热片上接近IGBT模块的当地设备有温度感应器,当温度过高时将报警或中止IGBT模块作业。

  一般保存IGBT模块的场所,应坚持常温常湿状况,不该违背太大。常温的规定为5~35℃ ,常湿的规定在45~75%左右。在冬季特别枯燥的区域,需用加湿机加湿; 尽量远离有腐蚀性气体或尘埃较多的场合; 在温度产生急剧改变的场所IGBT模块外表或许有结露珠的现象,因而IGBT模块应放在温度改变较小的当地; 保管时,须留意不要在IGBT模块上堆积重物; 装IGBT模块的容器,应选用不带静电的容器。

  IGBT模块因为具有多种优秀的特性,使它得到了快速的开展和遍及,已运用到电力电子的各方各面。因而了解IGBT模块功用,了解挑选及运用时的留意事项对实践中的运用是十分必要的。

  逆变器与电动机构成的调速传动体系进入实用化阶段现已有近 20 年的前史。调速体系中的中心“变频器”是一个杂乱的电子体系,易遭到电磁环境的影响而产生损坏。工业体系运转进程中,出产工艺的接连性不答应体系停机,否则将意味着巨大的经济丢失。特别是在一些特别的运用场合,如自动化和宇宙空间体系、核能和风险的化学工厂中,更不答应逆变器因毛病停机。因为体系可自动维护性、生存才干等目标的要求显着进步,近年来对具有容错才干的操控体系的研讨得到了更多的重视。

  高毛病容限操控体系应敏捷地进行毛病剖析, 毛病后自动重构体系的软硬件结构, 实施冗余、容错等操控战略,保证整个体系在不丢失功用目标或部分功用目标下降的状况下安全运转,躲避反常停机所构成的巨大经济丢失,满意某些特别职业的需求。完成高毛病容限操控体系的前提条件是精确的毛病确诊,只要精确认位毛病,才干据此进行容错操控,应对逆变器中 IGBT 的开路毛病确诊打开研讨。

  严格地说,在变频器?电机构成的操控体系中任何一个功用单元、任何一个元器材产生毛病都是或许的,但变频器部分产生毛病的几率要远远高于电机。而在变频器中,逆变桥 IGBT 的开路和短路毛病又占了适当大的比重。所以针对上述毛病的诊办法是高毛病容限变频器研讨的热点问题。IGBT的短路毛病已有老练的计划,即经过硬件电路检测IGBT 的 D-S 压降,能够精确判别毛病管。

  IGBT 开路毛病也时有产生,一方面是因为过流焚毁,导致开路,另一方面是因为接线不良、驱动断线等原因导致的驱动信号开路。相关于短路毛病而言,开路毛病产生后往往电机还能够持续运转,所以不易被发现,但其损害较大,因为在此状况下其他 IGBT将流过更大的电流,易产生过流毛病;且电机电流中存在直流电流重量,会引起转矩减小、发热、绝缘损坏等问题,如不及时处理开路毛病,会引发更大的事端。检测出某 IGBT 开路后,才干够选用桥臂冗余、四开关等办法持续安全容错运转。

  概括国内外学者在 IGBT 开路毛病确诊办法上所打开的研讨,首要有专家体系法、电流检测法和电压检测法三种。专家体系法依据经历堆集,将或许产生的毛病逐个列出,概括出规则并树立常识库,当产生毛病的时分只需求观测毛病现象,查询常识库即可判别毛病类型,难点在于难以尽头一切的毛病现象并得到齐备的毛病常识库,而有些毛病模态往往与变频器正常运转时的某种状况时十分类似,构成了难以精确匹配毛病。电压检测法经过调查变频器毛病时电机相电压、电机线电压或电机中性点电压与正常时的误差来确诊毛病。只需求四分之一基波周期便能检测出毛病,大大缩短了确诊时刻, 仅仅这种办法需求添加电压传感器, 通用性差。

  电流检测法最为常用,其又派生出均匀电流 Park矢量法、单电流传感器法和电流斜率法等,均匀电流 Park 矢量法以 Coimbra 大学的 J.A.ACaseiro 教授宣布的几篇文章为代表。该办法在α ? β 坐标系下进行,经过 3-2 改换得到 I α 和 I β ,在一个电流周期内求其均匀值,依据均匀值求得均匀电流 Park 矢量。 毛病呈现时 Park 矢量将不为零,经过判别其幅值和相位确认哪只 IGBT 呈现毛病。均匀电流 Park 矢量法的缺陷在于其对负载灵敏, 负载不同状况下, Park 矢量电流巨细不同,会构成点评毛病的规范不一致。电流矢量斜率法依据毛病前后定子电流矢量轨道斜率的不同来确诊毛病,缺陷在于该办法极易遭到搅扰而导致误判。

  针对变频器逆变桥 IGBT 开路的毛病确诊,对均匀电流 Park 矢量法、三相均匀电流法以及提出的依据傅里叶改换的归一化办法做了比照验证,得到如下定论:

  1)均匀电流 Park 矢量法和三相均匀电流法在稳态状况下能够精确地检测 IGBT 开路毛病,定位毛病管,但在突加、突减负载时会呈现误确诊。

  2)运用离散傅里叶改换得到定子电流的直流重量和基波幅值,然后依据基波幅值巨细将直流重量归一化,依据归一化后的直流重量巨细定位开路毛病的 IGBT,可解决传统办法在突加、突减负载时会呈现误确诊的问题。

  3)变频器 IGBT 开路毛病确诊供给了有用办法,其可做为容错操控的根底,后续作业能够环绕毛病后的容错操控打开。

  众所周知,IGBT是一种用MOS来操控晶体管的新式电力电子器材,具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特色,被广泛运用在变频器的逆变电路中。但因为IGBT的耐过流才干与耐过压才干较差,一旦呈现意外就会使它损坏。为此,有必要对IGBT进行相关维护。一般咱们从过流、过压、过热三方面进行IGBT维护电路规划。

  IGBT接受过电流的时刻仅为几微秒,耐过流量小,因而运用IGBT首要留意的是过流维护。那么该怎么依据IGBT的驱动要求规划过流维护呢?

  IGBT的过流维护可分为两种状况:(1)驱动电路中无维护功用;(2)驱动电路中设有维护功用。关于第一种状况,咱们能够在主电路中要设置过流检测器材;针对第二种状况,因为不同类型的混合驱动模块,其输出才干、开关速度与du/dt的接受才干不同,运用时要依据实践状况恰当选用。关于大功率电压型逆变器新式组合式IGBT过流维护则能够经过封闭驱动信号或许减小栅压来进行维护。

  ●选用吸收回路。吸收回路的效果是;当IGBT关断时,吸收电感中开释的能量,以下降关断过电压。